CC BY
24
РАСЧЁТ И СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КОНСТРУКЦИЙ ИНТЕСИФИКАТОРОВ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ЖАРОТРУБНОМ ТРЕХ-ХОДОВОМ КОТЛЕ «ТЕРМОТЕХНИК ТТ-100», РАБОТАЮЩЕГО НА ГАЗАХ РАЗНОГО СОСТАВА, В ПРОГРАММНОМ КОМПЛЕКСЕ ANSYS Кудрин Е.А. Email: Kudrin665@srientifictext.ru
Кудрин Егор Александрович - магистрант, кафедра теплогазоснабжения и вентиляции, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет,
г. Санкт-Петербург
Аннотация: в данной статье рассмотрены особенности постановки задачи расчета и основные этапы моделирования газодинамических процессов в трубках газохода конвективного пучка трех-ходового жаротрубного котла ЭНТРОРОСС «ТЕРМОТЕХНИК ТТ-100» работающего на газообразном топливе разного состава, программном комплекса ANSYS. Произведен сравнительный анализ полученных результатов с выводами о влиянии на параметры энергоэффективности котлоагрегата различных конструкционных решений интенсификации
конвективного теплообмена.
Ключевые слова: теплотехника, жаротрубные котлы, ANSYS, энергоэффективность.
CALCULATION AND COMPARATIVE ANALYSIS OF THE GAS-DYNAMIC PARAMETERS OF THE STRUCTURES OF THE INTEGRATORS USING THE FINITE-ELEMENT METHOD, IN THE HEAT-TUBE THREE-RUNNING BOILER TERMOTECHNIK TT-100, OPERATING ON GASES OF DIFFERENT COMPOSITION, IN THE ANSYS SOFTWARE PACKAGE Kudrin E.A.
Kudrin Egor Aleksandrovich - Undergraduate, DEPARTMENT OF HEAT SUPPLY AND VENTILATION, ST. PETERSBURG STATE UNIVERSITY OF ARCHITECTURE AND CIVIL ENGINEERING,
ST. PETERSBURG
Abstract: this article discusses the specifics of the formulation of the problem of calculation and the main stages of modeling gas-dynamic processes in the gas tubes of the convective bundle of the three-way fire-tube boiler ENTROSS "Thermal Engineering TT-100" working on gaseous fuel of different composition, software package ANSYS. A comparative analysis of the results obtained with the conclusions on the effect on the energy efficiency parameters of the boiler unit of various design solutions to the intensification of convective heat exchange was made.
Keywords: heat engineering, fire-tube boilers, ANSYS, energy efficiency.
УДК 62-69
Исходные данные и нагрузки
Размеры трубы взяты из действующего в настоящее время ГОСТ 9941-81 «Трубы бесшовные холодно- и теплодеформированные из коррозионностойкой стали» и составляют:
- внутренний диаметр - 60 мм,
- толщина стенки - 8 мм,
- длина 5000 мм.
Согласно данноым ГОСТ, принимается труба с наружним диаметром ё76, чтобы ё внутренний получился ё60 при толщине стенки 8мм (60+8+8=76). Ниже показаны этапы построения 3ё-моделей каждой конструкции.
Рис. 1 А. Интенсификатор со скрученной лентой
Рис. 1 Б. Интенсификатор со скрученной лентой (здесь показана только спираль,
размещаемая в трубе)
Рис. 2. Труба без интенсификатора Термодинамические параметры и состав газовых смесей
Параметр Значение
Массовый расход, кг/с 6,81
Длина трубы (расчётного участка интенсификатора), м 5
Температура газа на входе, °С 1484
Температура стенки трубы (для 2-го вида конструкции трубки), °С 95
Таблица 2. Состав газовых смесей
Угольный (шахтный) газ
Вид газа Доля
СН4 0,5
N2 0,35
02 0,15
Природный газ
Вид газа Доля
СН4 0,989
С2Н 0,003
С3Н8 0,001
С4Н10 0,0001
С02 0,001
N2 0,006
Методика расчёта
Расчет выполнен в ПО ANSYS — универсальной программной системе конечноэлементного (МКЭ) анализа. [4]
Программные продукты ANSYS сертифицированы согласно следующим стандартам и требованиям.
Расчет, выполняемый программой ANSYS, основан на классических инженерных представлениях и концепциях.
При помощи численных методов эти концепции могут быть сформулированы в виде матричных уравнений, которые наиболее пригодны для конечно-элементных приложений.
Совокупность дискретных областей (элементов), связанных между собой в конечном числе точек (узлов), представляет собой математическую модель системы.
Основными неизвестными являются степени свободы узлов конечно-элементной модели.
К степеням свободы относятся:
• перемещения,
• повороты,
• температуры,
• давления,
• скорости,
• потенциалы электрических или магнитных полей.
Их конкретное содержание определяется типом элемента, который связан с данным узлом.
В соответствии со степенями свободы для каждого элемента модели формируются матрицы, приводящие к системам совместных уравнений, которые обрабатываются программами-решателями. В программах постпроцессорах полученные данные обрабатываются и приводятся в пригодный для анализа вид (поля распределения параметров, графики, линии тока и т.п.).
Моделирование
Для каждой из 2-х представленных конструкций создана сетка конечных элементов, основа матрицы для последующего её расширения и разрешения в решателе.
Прежде чем построить сетку из полученных ранее 3d-моделей конструкций создана модель инвертированная, представляющая собой проточную часть без металла - флюиды.
Так для спиралевидного интенсификатора проточная часть имеет вид:
Рис. 3. Инвертированная модель для построения сетки КЭ
Для экспорта в Ansys модели сохранены в формат STEP, который успешно распознаётся системой CAE.
Общая схема проекта в Ansys показан на рис. 4, здесь видно 4 подпроекта с соответствующими названиями. Ansys не поддерживает символы русского алфавита, поэтому каждый подпроект назван английскими словами. И так на рис. 4 показаны:
• Tube only - труба (случай расчёта с проточной частью трубы d76x8 без интенсификатора);
o Tube only; Fluid: Natural gas (CH4, C2H, C3H8, C4H10, N2, CO2) (Расчёт трубы без интенсификатора с рабочим телом природный газ);
o Tube only; Fluid: CH4, N2, O2 (Расчёт трубы без интенсификатора с рабочим телом «угольный шахтный газ», представленный составов CH4, N2, O2);
• Spiral - труба (случай расчёта интенсификатора в форме спиралевидной трубки);
o Spiral; Fluid: Natural gas (CH4, C2H, C3H8, C4H10, N2, CO2) (Расчёт трубы без интенсификатора с рабочим телом природный газ);
o Spiral; Fluid: CH4, N2, O2 (Расчёт трубы без интенсификатора с рабочим телом «угольный шахтный газ», представленный составов CH4, N2, O2).[4]
Рис. 4. Схема проекта по моделированию в Ansys
Построение сетки
Построенные модели сетки показаны на рис. 6-8. Здесь показаны внешний вид моделей и настройки, заданные при построении сетки, стрелкой указано поле со значением, показывающим число КЭ для данной модели.
Сетка КЭ для трубы без интенсификатора
Это простой случай для построения сетки, т.к. геометрия проточной части предствалена примитивом в форме цилиндра.
Среди особых параметров применён лишь метод Inflation для создания пристеночных слоёв, учитывающих теплообмен более точно, число слоёв 5, скорость роста в соотношении 1,2 (рис.5 А и Б и рис.6).
Details of "Inflation" - Inflation
-
Scope
Scoping Method Geometry Selection
Geometry 1 Body
Definition
Suppressed No
Boundary Scoping Method Geometry Selection
Boundary 1 Face
Inflation Option Smooth Transition
Transition Ratio Default (0,77)
Maximum Layers S
Growth Rate 1,2
Inflation Algorithm Pre
Рис. 5 А. Общие параметры сетки
Рис. 5. Параметры сетки
Рис. 5 Б. Локальные параметры сетки метода Inflation
Рис. 6 А. Общий вид сетки
Рис. 6. Внешний вид сетки
Рис. 6Б. Структурированность пограничного слоя (увеличенный вид)
Сетка КЭ для трубы со спиральным интенсификатором
Данный случай представляет собой не оптимальное соотношение ребер и резких изменений геометрии в областях перехода от проточной части трубы к пластике, закрученной спиралью, что само по себе уже предъявляет некоторые требования к созданию оптимальной сетки.
Такая сетка будет строиться крайне долго и займет большой объём оперативной памяти компьютера, которого на обычном ПК часто нет, поэтому будет создана уменьшенная качественная сетка на элементе, который будет повторяться в расчётной геометрии, а затем он будет размножен (см. рис.7).
Рис. 7А. На этапе моделирования
0,025 0,075
Рис. 7 Б. после создания сетки КЭ
Рис. 7. Извлечёный фрагмент из общей геометрии проточной части
Известно, что шаг спирали 100мм, длина всей расчётной части 5000 мм. Значит разумно создать фрагмент длиной 100мм, сформировать качественную сетку на малом выделенном фрагменте и скопировать ее 50 раз. Это потребует не более 8 Гб RAM.
Важно учесть в данном случае «одинаковость» расположения узлов сетки на границах участка для правильной передачи параметров в процессе расчёта, т.е. для исключения осреднения параметров на стыке областей, что негативно скажется на точности расчёта.
И так, чтобы этого избежать, вводится функция match control (рис. 8), также применяется функция Inflation (рис. 8) для пристеночных слоёв, которых теперь больше, помимо стенок трубы добавились стенки спирали.
Рис. 8 А. Локальные параметры сетки метода match control
ANSYS
R18.2
Рис. 8 Б. Локальные параметры сетки метода Inflation
Рис. 9. Параметры сетки общие
Число элементов сетки для одного фрагмента длиной 100мм составило 378000 (см. рис. 9), тогда после «размножения» сетки до необходимой длины 5000м число элементов составило 378000*50=18.900.000. Для решения этой задачи понадобилось 32 Гб RAM и очень мощный процессор. Время решения задачи составило около 15-ти часов.
Задание граничных условий в препроцессоре
На данном этапе задаются ТД параметры из раздела 1.2.
Для каждого из 4-ёх расчётных случаев в препроцессоре задаются указанные ниже параметры, комментарии см. в названии рисунков.
Details of Default Domain in Flow Analysis 1
Basic Settings Fluid Models Initialization Heat Transfer
Option Thermal Energy
I | End. Viscous Dissipation Turbulence Option
Wall Function
к-Epsilon -
Scalable -
□
□
I | Turbulent Flux Closure for Heat Transfer Advanced Turbulence Control Combustion Option
Thermal Radiation Option
I | Electromagnetic Model
Рис. 10. Задание параметров решателя (включено уравнение тепловой энергии) Details of Ш in Default Domain in Flow Analysis 1
Basic Settings Boundary Details Sources Plot Options Flow Regime
В
Mass Flow Rate
6.81 [kg sA-l]
As Specified
Option Subsonic
Mass And Momentum Option
Mass Flow Rate Mass Flow Rate Area Flow Direction Option Turbulence Option
Heat Transfer Option
Static Temperature 11484 [C]
Normal to Boundary Condition
Medium (Intensity = 5%)
Static Temperature
Рис. 11. Граничные условия на входной повехности Inlet
Outline Boundary: out
□
Subsonic
Details of out in Default Domain in Flow Analysis 1
Basic Settings Boundary Details Sources Plot Options Flow Regime Option
Mass And Momentum Option
Relative Pressure Pres. Profile Blend Pressure Averaging Option
Average Static Pressure
1.6 [MPa]
0.05
Average Over Whole Outlet
Рис. 12. Граничные условия на выходной повехности Outlet (выбрано одно из стандартных давлений аппаратов под давлением 1,6МПа)
Details of Default Domain Default in Default Domain in Flow Analysis 1
Outline
Boundary: Default Domain Default
□
Basic Settings Boundary Details Sources Plot Options
Mass And Momentum E
Option No Slip Wäll
□ Wall Velocity Ш
Wäll Roughness □
Option Smooth Wäll
Heat Transfer В
Option Temperature ■*■
Fixed Temperature 95 [C]
Рис. 13. Граничные условия на стенке
Тип анализа нестационарный, т.е. будут решаться по 4 задачи на каждый случай. Временной интервал 2 секунды с шагом в 0,5 секунды (рис. 14).
Рис. 14. Этап постановки нестационарной задачи
High Resolution
Details of Solver Control in Flow Analysis 1
Basics ettings Eq uation CI a ss S etti ngs Advection Scheme Option
Transient Scheme Option Timestep Initialization Option
Advanced Options
Second Order Backward Euler
Automatic
Lower Courant Number Upper Courant Number
Turbulence Numerics Option First Order
Convergence Control Min. Coeff. Loops 11 Max. Coeff. Loops ¡20 ~
Fluid Timescals Control Timescale Control
Convergence Criteria Residual Type
Residual Target |0.{K)001
□ □
Coefficient Loops
Conservation Target Q Elapsed Wall Clock Time Control I Interrupt Control
Ш Ш Ш
Рис. 15. Параметры решателя (заданы max 20 итераций, критерий сходимости уменьшен до
1*10-5)
Для расчётных случаев, где фигурирует смесь газов, представляющих угольный шахтный газ или природный газ, задаются в domain соответствующие fluid (рис. 16) и их дольное соотношение для поверхности входа (рис. 17). Тип всех 3 сред -постоянная среда (рис. 16). На рисунках показаны параметры для угольного газа, для природного газа соотношения задаются аналогично согласно табл. 2.
Рис. 16. Добавление хим. элементов угольного в domain
Рис. 17А - Соотношение Рис. 17Б- Соотношение для СН4 для N2
Рис. 17В -Соотношение для 02
Рис. 17. Определение соотношений хим. состава угольного газа на входной поверхности
Для успешного старта решателя требуются начальные ГУ по давлению, температуре и скорости потока. Эти условия будут изменены автоматически в процессе поиска решения, однако для начала решения компьютеру нужно знать приближённо верные ТД параметры (рис. 18).
Рис. 18. Начальные ГУ решателя Результаты моделирования
В результате моделирования были получены поля распределения температуры, как главного показателя эффективности работы интенсификатора. Также представлены значения скорости и давления, характеризующих интенсивность протекающих
процессов, определяющих наличие или отсутствие турбулентности наряду с геометрическими направляющими устройствами. Все значения исследуемых параметров сведены в таблицу 3.
Таблица 3. Сводная таблица результатов расчета
Труба без интенсификатора Интенсификатор спир алевидный
Природный газ Угольный газ Природный газ Угольный газ
Температура в выходном сечении, К 1415.17 1446.65 855.684 1225.00
Скорость в выходном сечении, м/с 607.114 737.18 1637.8 1603.234
Давление (входное сечение), МПа 1.847 2.162 56.52 14.19
Анализ результатов моделирования
Как видно из таблицы 3, эффективность охлаждения с интенсификатором выше и не зависит от сравниваемых рабочих тел.
Также справедливо и утверждение, что не зависимо от типа конструкционного решения охлаждающего устройства природный газ теряет больше тепловой энергии, что отражается на его температуре, которая всегда получается ниже, чем у среды с угольным газом, что объясняется его химическим составом.
Из сравнения ТД параметров видно, что скорости потока при использовании интенсификатора значительно выше в среднем в 2,7 раза. Поток рабочего тела, следующий по спиралевидной траектории успевает, несмотря на более высокую скорост, благодаря турбулентному течению, потерять больше тепла.
Список литературы /References
1. ГОСТ 9941-81 «Трубы бесшовные холодно- и тепло деформированные из коррозионностойкой стали» М.: Государственный комитет по стандартам. 1987. 13 с.
2. Бузников Е.Ф. «Производственные и отопительные котельные» Под ред. К.Ф. Роддатиса.: Энергоатомиздат, 2006г. 488 с
3. Бойко Е.А., Деринг И.С., Михайленко С.А. «Котельные установки и парогенераторы». Томск : Изд-во Томского политехнического университета, 2009г. 606 с. УДК 621.182 (075.8).
4. Фёдорова Н.Н., Вальгер С.А., Данилов М.Н., Захарова Ю.В. Основы работы в ANSYS 17. М.: ДМК Пресс, 2017. 210 с.: ил.
